CN1051155C - 高过压低量程压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器，包括一块底板和由脆性材料制成的膜片板，所述膜片板沿着周边密封在底板上。有膜片对着底板的一侧上形成有许多与底板成一整体的支撑柱，从而当膜片在高的过压作用下向底板挠曲时这些柱将支撑膜片阻止其移动以避免膜片的损坏或破裂。在本发明的一个最佳实施例中，底板上有一薄层二氧化硅，它是很好的电绝缘体并且还可使这些柱与底板的表面接触时产生适宜的轻微的移动，从而当过压增加时减小在膜片上产生的应力。

Description

高过压低量程压力传感器

本发明涉及用脆性材料制成的膜片，该膜片在压力作用下相对于底板挠曲并当其在高于正常的传感器量程的过压作用下时被支撑住以防止损坏。

采用一块底板和一个在压力下发生挠曲的膜片的半导体压力传感器，在已有技术中是已知的。在此类已有技术的传感器中挠曲量可使用许多种方式进行测量，包括电容传感以及使用安装在膜片上的应变器。将脆性材料，如硅、玻璃和石英用于膜片也是已知的。

人们已经认识到当脆性材料膜片受到过压作用时要对其进行保护。一般来说，这样的一个支撑可以通过将膜片表面放置在底板的相对表面上得到，该表面可以被设计成与挠曲的膜片形状相配合，从而当膜片所受到的压力稍微超过其最大的设计压力传感范围时它就会被支撑在底板上。最好是膜片的大部分都落在底板与之相对的表面上。目前已在底板上和膜片上使用凹进部分以努力确保在膜片的挠曲部分提供一个完全的、连续的过压支撑。

本发明涉及一种压力传感器，包括一块底板和一个由脆性材料制成的膜片板，所述膜片板包括一固定在底板上的边缘和中间的膜片部分，所述膜片部分在力的作用下可横跨其表面向着底板挠曲，其特征在于还包括与可挠曲膜片部分整体形成的多个柱，这些柱具有和底板接触的端部并当可挠曲膜片部分向底板方向挠曲一个预定量时形成止住。

过压保护是通过在膜片上，或者如果需要的话可在底板上形成的许多短的柱体或突起提供的，它们可在膜片的许多位置处支撑在过压作用下挠曲的膜片以提供支撑和过压保护。使用许多短柱，膜片并不是被加劲了，直到过压被施加上之前其运作就好象是这些短柱不存在一样，同时它也使制造工艺简单化了，从而因为较少加劲的膜片要比具有较强加劲中部的膜片运动得远而加宽了过压停顿间隙。

在所示的结构中，硅晶片被蚀刻以提供一个薄的部分，其构成膜片的挠曲膜，并通过掩膜处理留下许多柱体，它们的高度等于用于形成膜片的晶片的最初厚度一样。环绕着许多柱体留下一条边棱用于固定到底板上。

在蚀刻工艺中，支撑柱变成基片上是锥体形的。

还已经发现在底板的表面上具有一层二氧化硅，它不象纯的硅那样脆，使得柱体在刚与支撑层接触后并且当过压增加是时可以在二氧化硅薄层中轻微移动。挠曲膜片的挠曲或弯曲使得柱体在它们刚与底板接触时呈现一个微小的角度。当压力增加时，柱体的外端相对于支撑层有一个微小的移动。二氧化硅层构成了底板与其所安装的表面之间的电绝缘。二氧化硅层还由于容许支撑柱调整位置以避免加大膜片中的张力水平而增强了传感器的耐过压能力。底层上硬的硅表面若没有二氧化硅会减小支撑柱当过压增加时移动的能力。

图1为用于传感压力并根据本发明制造的典型的传感器的横截面示意图；

图1A为具有已被移走的膜片层的底板的表面视图；

图2是沿图1中线2-2所作的图1中膜片部分的支撑柱示意图；

图3是示意性并放大表示的支撑柱从刚与底层接触时到完全过压条件时移动的情况；

图4是一个支撑柱的放大的详图，其表示了单个的支撑柱当其结构被蚀刻并且没有其它柱体在其邻近情况下的蚀刻表面；

图5是沿图4中线5-5所作的剖面图。

参见图1，根据本发明制造一个压力传感器以10来表示。该压力传感器是一个低量程压力传感器，例如，量程为30磅/平方英寸的压力传感器，相对型的或绝对型的，但都具有处理通常是所说量种程的数倍的过压的能力。这种表压力传感器穿过底板有一个开口，向着膜片区域张开。本发明的压力传感器可以是一个电容传感器件。可比较的已有技术中的压力传感器通常可以耐得住额定压力的3到8倍而不会破裂。本发明的压力传感器与没有支撑柱的类似膜片相比能经得住5到10倍多的过压。

压力传感器10包括由脆性材料构成的底板或底层，用12指示。此类材料可以是半导体，如硅，它是优选的材料，但也可以是其它的脆性材料，如玻璃、兰宝石、石英或类似的材料。底板支撑着膜片板组件14，它包括一个圆周形的边缘件16，其用于结合挠曲膜片或膜部分18。膜片部分18由于压力而产生的挠曲是通过与边缘16相邻处的结合区内膜片的厚度以及在支撑柱之间的厚度确定的，所说的结合区在图1和图2中表示为膜片的边部20。膜片挠曲的量在操作的量程内是非常小的，如果发生过量的挠曲，膜片就会破裂。

边缘16的表面以适合的方式粘结在底板12上。例如，可在用24表示的交界面区域用玻璃料将膜片粘到底板的上表面28上，或者底板和膜片可以用阳极粘结或熔接技术在边缘处结合在一起。膜片边缘粘结到底板上在膜片膜处18的下面和底板12的上表面28之间留下了一个空腔。当模片被用玻璃24密封在底板28上时就产生了真空。被测量的压力或力，如箭头22所示被施加到膜片18的上表面。这将引起膜片向着底板12的方向弯曲，膜片挠曲的量可以用膜片的上表面30上由32指示的适合的应变片来测量，并作为挠曲的函数给出所施加的力或压力的指示。

在一个最佳实施例中，为了当膜片18向下弯曲时提供一个支撑，并且防止膜片断裂、毁坏或其它方式的破裂，许多支撑柱，用36标示，被整体设置在膜片18上与力或压力施加的方向相反的一面上。这些支柱36朝向底板或底层12的上表面28。如图2所示，有16个这样的支撑柱，但是可以使用不同的数量。例如，根据膜片的大小可以采用4个、8个或9个用于支撑膜片18的柱用来进行过压保护。

柱36是通过蚀刻用于制造膜片的硅晶片或其它物质而形成的，在批量生产中，当膜片18被蚀刻到适当的厚度时，利用一个适合的掩模，将柱36制成基本上是锥体形的结构，如图所示，它们具有一个平的顶部38，它从表面30起算的高度与和底板12接触的边缘16的表面高度是一样的。如果需要的话，这些柱可以具有不同的高度，以实现当考虑到膜片在压力下的弯曲形状时的在整个膜片上与具有一个平的表面的底板基本均匀的接触。

如图1A所示，底板12的上表面28在选定的区域内从膜片边缘与之结合的边沿部分的平面处做出凹槽。对于16个柱的结构，部分28A是沿两边并处在相邻的边角部分28C之间。边角部分28C在深度上小于其它部分。部分28A要比部分28C凹进的深度大很多，但与用28B指示的中心部分(最凹的深度)相比较为接近柱。在凹进深度上的差别是为了与挠曲上的差别相适应，因为膜片18的中心部分要比其临近边缘16的部分挠曲得很多，底板12的表面28中的阶梯基本上提供了在角部和外围的柱和表面28C及28A之间以及在位于膜片18中心部分的柱和表面28B之间的同时接触。而且，如所述的，通过采用底板的平表面和不同高度的柱36，其中最短的柱36是位于膜片18的中央，也可以得到同样的效果。

当膜片18挠曲时，柱36的顶部38将与其各自的表面部分28A、28B、28C接触，并且在增加的压力作用下可将其保持住不再继续挠曲。沿线22施加的过压可以超过正常的工作压力数倍而不会损坏膜片18。

也应该注意到当硅被用作一个底板时，在表面应有一电绝缘层，如图1和图3所示，其中用点划线表示的层40就是生长在硅底板上的二氧化硅层。但是已经发现当膜片18向底板弯曲时，柱36有轻微的倾斜，从而使得平顶38的角部或边部，用42表示，会首先与底板12的上表面接触，而不是由柱36的平的表面38在其整个宽度上与层40接触。如同膜片18在较大的压力下继续挠曲时一样，已经发现当膜片18变得弯曲较小以完全落在端面38上时这些柱36一般会产生转动如箭头44所示。如果膜片18在初始接触后轻微地移动，柱的角将嵌入，平滑度将减小，膜片会由于张力不匀而破裂。

还应该指出在图1、2和4中在每个柱36的底部，由于蚀刻物质和柱掩模的相互作用，构成了复合表面结构48。蚀刻工艺留下了从角部延伸的锥形表面49，小的支叉48A从锥形表面或与柱隔开的位置处的棱上以小角度横向延伸出来，因此柱的锥形底面在用50标示的区域内交叉。图1中以点划线表示的部分就是柱底部真正设计的构造，所保留的膜片在柱之间的厚度等于标号20所示的。这些锥面画在图2中，但仅仅是示意性的并且如所看到的锥形在柱的外边处不是正方的。因此，图1是示意性地表示在锥面区域的横截面。柱之间表面的结构可以是不同的而基本不会影响其性能。

二氧化硅层40使得柱可以轻微地移动并减少了膜片的损坏。该过压保护柱36是非常容易制造的，与传感器的其它部件一样，所以成本不是主要需要考虑的因素。

柱36按所示是作为膜片的一部分整体地制出的，但是柱也可以是从底板向上延伸构成的并提供过压保护。

底板表面上凹进的区域的形状、大小和位置可以随柱数目的变化而变化以使得柱具有同时与整个表面接触的优点。例如，具有四个柱的膜片就利用一个边缘凹进的平的表面。不同数目的柱需要不同的表面深度，从而在压力作用下为了充分的支撑，以数值计量的方式逼近弯曲的膜片形状。

在膜片之上将使用一个适合的外壳或压力负载板，以负载作为在膜片上的压力。这种外壳没有画出因为它们都是众所周知的。

具有电容传感器方式用于对膜片挠曲进行传感的同一构思的结构也可以被使用，其是在与膜片分开的一块板上采用了一层导电膜用来构成与膜片绝缘的电容板，并具有适合的引线头接在导电膜和膜片上。

尽管本发明已经参照最佳实施例加以描述了，但是本领域的技术人员可以认识到在不脱离本发明的构思和范围的前提下能够对本发明从形式到内容都加以变化。

Claims (8)

1.一种压力传感器，包括一底板、一由脆性材料制成的膜片板和中心膜片部分，所述膜片板包括固定在底板上的边缘，而所述中心膜片部分在力的作用下横过其表面向着底板弯曲，其特征在于还包括：

多个与可弯曲的中心膜片部分整体形成的柱，它们具有用于使其抵附于底板上的端部，并在所述可弯曲的膜片部分向底板方向弯曲了一预定量时使膜片停止弯曲。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其中，所述柱有一个外端面，该外端面在膜片向底板弯曲一预定量时接触到所述底板相对的表面。

3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于还包括一层用与柱不同材料构成的、形成在所述底板上的氧化物薄层，从而允许柱的所有端部在与底板接触时可有轻微的移动。

4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于：所述底板是由硅构成的，而所述氧化物薄层为二氧化硅。

5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于：所述二氧化硅基本上厚为3微米。

6.如权利要求1～5中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述底板朝向柱的表面在与膜片板可弯曲的中心膜片部分相对应的区域相对于与膜片板边缘部分之下的区域凹进去一个深度。

7.如权利要求1-5中任一项所述的压力传感器，其中，在膜片板的中间膜片部分至少有4个柱。

8.如权利要求7所述的压力传感器，其中，在膜片板的中间膜片部分平均间隔地设置有16个柱。

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